ZESZYTY NAUKOWE! POLITECHNIKI ŚLISKIEJ 1979

ZESZYTY NAUKOWE! POLITECHNIKI ŚLISKIEJ
Seria: GÓRHICTWO s. 99
1979
Er koi. 601
Jan DREHDA
OKREŚLENIE I POMIAR ŚREDHIEJ TEMPERATURY PROMIENIOWANIA
W WYROBISKU GÓRNICZYM
Streszczenie. W artykule podano metody pomiarów i obliczeń śre­
dniej temperatury promieniowania, odniesionej do człowieka znajdu­
jącego się w przodku eksploatacyjnym. Podano korzystny wpływ obni­
żenia średniej temperatury promieniowania na poprawę warunków kli­
matycznych środowiska górniczego. Dokonano teoretycznych obliczeń
średniej temperatury promieniowania dla przyjętego modelu wyrobiska
ścianowego w zależności od zmian temperatury i wielkości
chłodzo­
nych płaszczyzn ociosów oraz spągu tego wyrobiska.
1. Wprowadzenie
Określając parametry wentylacyjne i klimatyczne miejsc pracy w kopalni
bierzemy pod uwagę głównie: temperaturę powietrza ((termometr suchy i wil­
gotny),.. wilgotność względną lub właściwą, prędkość powietrza, określony
skład chemiczny atmosfery kopalnianej, temperaturę efektywną amerykańską
lub natężenie chłodzenia mierzone kotatermometrem.
Ha podstawie analizy powyższych danych możemy określić stan bezpieczeń­
stwa pracy oraz warunki wentylaeyjno-klimatyczne występujące w przodku
eksploatacyjnym. Dopuszczalne wartości wyżej wymienionych parametrów re­
gulowane są przepisami górniczymi. Istnieje
wiele
przodków,
w któ­
rych panujący klimat nie odpowiada normom i przepisom oraz
nie zapewnia
komfortu cieplnego pracującym górnikom.
Przeanalizujmy rodzaje wymiany ciepła między człowiekiem a środowiskiem,
w którym pracuje.
Wymiana ta musi polegać na oddawaniu ciepła wytworzonego przez
organizm
podczas procesów metabolicznych powietrzu lub ścianom pomieszczenia.
Rozróżniamy wymianę ciepła przez konwencję, przewodzenie, parowanie i
promieniowanie cieplne. Ha wzrost wymiany ciepła przez konwekcję i przewo­
dzenie wpływają głównie* różnica temperatur między powierzchnią
ciała
ludzkiego a powietrz®» oraz prędkość przepływu powietrza. Ha proces paro­
wania potu duży wpływ ma temperatura powietrza oraz wilgotność względna.
Wzrc3t prędkości przepływa powietrza jest również bardzo ważny,gdyż przy­
spiesza wymianę powietrza opływającego pdurier»chnlę ciała ludkkiego. Pro­
Jan D.renda
158
mieniowanie natomiast zależy od różnicy temperatur między powierzchnią cia­
ła ludzkiego a powierzchniami otaczającymi, np. ociosami wyrobiska.
Im
temperatury otaczających powierzchni będą niższe, tym oddawanie
ciepła
przez człowieka na drodze promieniowania będzie większe.
Metody poprawy warunków klimatycznych dotyczą więc mian temperatury po­
wietrza, jego wilgotności, prędkości przepływu: oraz średniej temperatury
promieniowania.
W artykule zwrócono uwagę na problem określenia średniej temperatury
promieniowania oraz celowość jej obniżenia w celu poprawy warunków klima­
tycznych w przodku górniczym.
2. Oznaczenia
A.|, Ag *••
“ pola powierzchni ścian wyrobiska,
C
- stała promieniowania dla katatermometru zwykłego,
C' - stała promieniowania dla katatermometru posrebrzonego,
K - wielkość (natężenie) chłodzenia katatermometru zwykłego,
&
- wielkość ^natężenie) chłodzenia katatermometru posrebrzonego,
- wielkość natężenie chłodzenia katatermometru zwykłego przez
promi eniowani e,
- wielkość natężenie chłodzenia katatermometru posrebrzonego
przez promieniowanie,
Q
- wielkość legalizacyjne (stała) katatermometru zwykłego,
Q
t wielkość legalizacyjna (stała,; katatermometru posrebrzonego,
ęa - bezwzględna wielkość legalizacyjna ¡(stała)) katatermometru zwykłe­
go,
Qa - bezwzględna wielkość legalizacyjna (stała) katatermometru posre­
brzonego,
tg
e
T|,
tpr
fpr
tg
- temperatura powietrza (termometr suchy)
°C,
“ temperatura powietrza (termometr suchy) °K,
Tg ...
- temperatury powierzchni skal °K,
- średnia temperatura promieniowania otoczenia °C,
- średnia ternepratura promieniowania otoczenia °K,
- temperatura termometru kulistego °C,
•w
- prędkość przepływu powietrza
I g - temperatsrea termometru k u listeg o °K,
'fi* 'f2 ••••
— ,
a “ współczynniki kątowe
(konfiguracji^ ,
X I X - czas ochładzania katatermometru zwykłego i posrebrzonego s.
Określenie i pomiar średniej temperatury ...
159
3. brednia temperatura promieniowania
Zdolność otoczenia do wymiany ciepła z człowiekiem na drodze promiasiowania cieplnego określa tzw. średnia temperatura promieniowania.
Średnią temperaturą promieniowania nazywamy jednorodną temperaturę
oto­
czenia o czarnych powierzchniach, które powodowałyby straty ciepła przez
promieniowanie równe stratom występującym w danym środowisku.Średnią tem­
peraturę promieniowania możony określać w odniesieniu do dowolnego ciała
lub powierzchni, np. w odniesieniu do człowieka, punktu materialnego, ku­
li itp.
Pozycja ciała ludzkiego oraz miejsce usytuowania człowieka w pomiesz­
czeniu również ma pewien wpływ na wartość średniej temperatury promienio­
wania .
’
i
Chcąc napisać wzór na średnią temperaturę promieniowania musimy doko­
nać pewnych upraszczających założeń. Zakładamy, że powierzchnie otoczenia
są izotermiczne i posiadają odpowiednie temperatury
,Tg. •♦^n!~»wsjystkie
powierzchnie są doskonale czarne, - promieniowanie emitowane przez dowol­
ne powierzchnie spełnia prawo Lamberta.
Wprowadzając powyższe założenia można napisać wzćr na średnią tempera­
turę promieniowania otoczenia*
Tpr4 a T 14(pi + T24f2 +
Tn4fn
C3,1)
Współczynniki kątowe
n są zależne od kształtu, wielkości wzajemnego
położenia i odległości powierzchni wymieniających ciepło przez promienio­
wanie. Znaleźć je można w tablicaoh lub wykresach D* t ! •
Suma współczynników kątowych jest równa jedności*
<p1 +<p2 + ... +fn - 1
(3.2)
Jeżeli założymy, że temperatury wszyfctkich ścian pomieszczenia są jed­
nakowe, to średnia temperatura promieniowania , obliczona na podstawie
równania (3.l) i (3.2), będzie równała się temperaturze powierzchni ścian.
Przy niewielkich różnicach między temperaturami powierzchni ścian po­
mieszczenia dla obliczenia średniej temperatury promieniowania można sto­
sować wzćr(3.3), będący uproszczeniem zależności (3.i) .
V
- * 1 ? 1 + I2 (P2 +••• + 3V f “
O * 3)
Często w praktyce spotyka się wzćr na określenie średniej temperatury
promieniowania jako średniej ważonej z temperatur wszystkich otaczających
powierzchni w odniesieniu do pól tyoh powierzchni*
Jan Dranda
160
*
t
=
T 1A 1 + TnAn +• t•+ T A
-2-1
S_2
a-s
P
+
^ 2
+ • • • +
— ,*
r 3.4)
A n
y
%
Zależność ^3.4) można jednak stosować tylko dla orientacyjnych
obli­
czeń. Hie uwzględnia ona np. miejsca usytuowania lab pozycji człowieka w
pomieszczeniu.
4. Pomiar średniej temperatury promieniowania
Przyjmując założenie, że temperatury wszystkich ociosów w przodku
są
stałe, możemy średnią temperaturę promieniowania dla CEiowieka porównać ze
średnią temperaturą promieniowania odniesioną do punktu materialnego lub
powierzchni, np. kuli.
We wszystkich tych przypadkach średnia temperatura promieniowania będzie
równała się teperaturze powierzchni ścian.
W związku z tym średnią temperaturę promieniowania w przodku górniczym
można określić na podstawie pomiarów dwoma katatermometrami {ze szklanym
zbiornikiem alkoholu i ze zbiornikiem posrebrzonymi lub termometrem kulis­
tym Vernona.
4.1. Pomiar średniej temperatury promieniowania dwoma katatermometrami
(zwykłym 1 posrebrzonym).
Zakładamy, że współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję dla szkla­
nego zbiornika katatermometru i zbiornika posrebrzonego jest ten samJBjćTJ.
Wynika z tego, że oba katatermometry tracą tę samą ilość ciepła przez kon­
wekcję. Różnica wskazań obu katatermometrów (różnicja w warości Kata) wystąpi dlatego,że różna będzie wymiana ciepła z otaczającymi powierzchniami
ścian przeE promieniowanie.
Dokonując pomiaru wielkości chłodzenia dwoma tymi przyrządami w jednym
miejscu, możemy napisać, że różnica między wielkościami chłodzenia katatermOmetru zwykłego i posrebrzonego jest równa różnicy wielkości
chło­
dzenia przez promieniowanie, czylis
I»2 (* (
V
V
C4*1)
Określenie 1 pomiar średniej temperatury ...
Różnica Kp -
161
zgodnie z prawem St efana-Bolt zmanna wynosi:
(k
v -p
- K ' V (o p' v
100
'
4.
100
(4 .2)
4
♦
Z tego wynikał
1
Mnożnik 1,2 po lewej stronie równania oznacza, że wilkości ochłodzenia
K i i ' muszą byó sprowadzone do bezwzględnej (absolutnej) wartości legali­
zacyjnej katatermometru. Wartość legallzaoyjna absolutna, wyznaczona
w
oparciu o pomiary kalorymetryczne, jest większa od wartości
nej (^stałej katatermometru) 1,2-krotnie ¡J3J 1
Qa
-
legalizacyj­
1,2 Q
Wstawiając zamiast 1,2 (K - K^)» A K oraz
C - C '■
i
obliczając
tpr otrzymamyt
.
.
pr
Wielkość
A
K
,00 \
fr? ♦ ys.?y . 4 Ł . 273
\ V . 100
/ Ac
\
a .,)
^ J
oblicza się na podstawie pomiarów czasu ochłodzenia ka­
tatermometru zwykłego i posrebrzonego
AK
Qe
» f -
Q'a
-a
gdziet
Q. i Q ' - oznaczają bezwzględne wartości legalizacyjne.
81
»
Różnica stałych promieniowania wynosił
A C - C - C' - 0,J21 - 0,0138 - 0,107
Równanie
4.4
przybiera postaół
V n
(4.j)
Jan Drenda
162
'pr
100
91,76 -
x
%•
-
273
(4.6)
0,107
4.2. Pomiar termometrem kulistym Vernena
Termometr kolisty Vernona zbudowany jest z miedzianej pustej kuli o
średnicy 15 cm. pomalowanej czarną farbą lub pokrytej czarną pianką po­
liuretanową, do której wsunięty jest aż do połowy termometr rtęciowy.
Temperatura wewnątrz termometru kulistego pochodzi z wymiany ciepła z
otoczeniem drogą przewodnictwa konwekcji i promieniowania.
Wartość temperatury termometru kulistego zależy więc od temperatury po­
wietrza, średniej temperatury promieniującego otoczenia i szybkości . ru­
chu powietrza.
Wadą termometru kulistego jest jego duża bezwładność - temperaturę mcżna odczytać dopiero po około 30 minutach od chwili ustawiania przyrządu
w pomieszczeniu.
Sporządzone są co prawda tabele, które uwzględniają poprawkę temperatury,
gdy dokonujemy odczytów po krótszym czasie niż 30 minut. Jednak pomiary
takie są mniej dokładne.
Przy pomocy pomiarów termometrem kulistym Vernona można obliczyć śred­
nią temperaturę promieniowania otoczenia wg wzoru:
5. Efekt obniżenia średniej temperatury promieniowania na poprawę
ków klimatycznych
w°™n-
Jak już wspomniano, średnia temperatura promieniowania jest
ważnym
czynnikiem wpływającym na własności cieplne miejsc przebywania i pracy
człowieka. W środowiskach ciepłych - obniżenie a w chłodnych - podwyższe­
nie średniej temperatury promieniowania wpływa na poprawę warunków klima­
tycznych. Zagadnienie to przeanalizujmy bardziej obrazowo w oparciu o wy­
kres (rys. 1j zaczerpnięty z pracy Fangera JjJ . Wykres ten przedstawia
linie komfortu cieplnego dla osób nie ubranych, wykonujących lekką
i
ciężką pracę. Wykres sporządzoigr jest dla wilgotności względnej
powie­
trze
= SCK.i
Przyjmijmy przodek górniczy, np. ścianę, w której Istnieją następują­
ce parametry klimatyczne:
Określenie i pomiar średniej temperatur; .
O
i,
8
12
i6
20
2H
¿8
32
163
36
*0
t s [° C ]
Rys. 1. Krzywe komfortu cieplnego dla nagich ludzi w zależności od
temperatury powietrza, średniej temperatury promieniowania i pręd­
kości przepływu powietrza. Wilgotność względna powietrza =80 %
a) średni wydatek energetyczny człowieka w odniesienia do jednostki
pola powierzchni ciała wynosi = 116
b) średni wydatek energetyczny człowieka = 175 ^
m
Jan Drenda
t8 - 28°C,
80
%
,'
tpr = 28°C,
u>- 0,5
f
Umiejscawiając punkt określający warunki klimatyczne w danej
ścianie
na wykresie (rys. i) widzimy, że warunki klimatyczne w tym przodku znacz­
nie odbiegają od komfortowych.
Gdybyśmy obniżyli średnią temperatur® promieniowania o 5&C to
warunki
pracy dla górników wykonujących lekką pracę będą odczuwane jako dobre,dla
ciężko pracujących górników warunki te jeszcze będą odbiegać od komforto­
wych, ale na pewno będą znacznie lepsze od poprzednich.
6. Obliczanie średniej temperatury promieniowania dla przyjętego
przodka eksploatacyjnego
modelu
Powstaje Jednak pytanie, w jaki sposób obniżyć średnią temperaturę pro­
mieniowania w przodku np. ścianowym lub chodnikowym.
W przodkach chodnikowych były wykonywane próby z tzw. płytami * promieniu­
jącymi 1^9J . Płyty takie podwieszane były pod stropem wyrobiska. Wewnątrz
płyt przepływał czynnik chłodzący, obniżając temperaturę powierzchni płyt.
Efekt stosowania płyt chłodzonych nie był zadawalający, ze względu na ma­
łą ich powierzchnię w stosunku do powierzchni ścian wyrobiska.Jak zresztą
wynika ze wzoru (3.1) nie tylko temperatura powierzchni ścian ale również
ich wielkość (współczynniki kątowe
decydują o średniej temperaturze
promieniowania.
Dla lepszego zobrazowania wpływu temperatury i wielkości
powierzchni
na średnią temperaturę promieniowania przeamllzujmy następujący przykład.
Przyjmijmy model przodka ścianowego w kształcie graniastosłupa bez obudo­
wy o wymiarach: długość 100 m, wysokość ściany 2m, szerokość 4 m. Załóżmy
również, że temperatury wszystkich ociosów są jednakowe i równe tempera­
turze powietrza 28°C. W środku wyrobiska ścianowego — graniastosłupa, umieścmy człowieka. Zgodnie z definicją pkt. 3 średnia temperatura
pro­
mieniowania dla człowieka będzie wynosić 28°C. Jeżeli teraz zdołalibyśmy
obniżyć temperaturę powierzchni np. tylko calizny węglowej, a więc pow.
100 x 2 - 200 m2 do temperatury 10°C, średnia temperatura promieniowania
dla tego człowieka obniżyłaby się do wartości 24,7°C. Gdybyśmy jednooześnle ochłodzili spąg do temperatury 10°C, uzyskalibyśmy średnią temperatu­
rę promieniowania tpr - 19,3 °C.
Chłodzenie małej powierzchni calizny np. wielkości 4 m2 (2m x 2 ^ b e z ­
pośrednio przed stojącym w ścianie człowiekiem obniżyłoby średnią tempe­
raturę promieniowania do wartości tpr, - 26,6 °C.
Dodatkowe ochłodzenie spągu o powierzchni 8 m2 (długość wycinka chło-
Określenie i pomiar średniej temperatury •••
165
dzącego spągu 2 m, szerokość ściany 4 m) spowodowałoby obniżenie
średr
niej temperatury promieniowania do wartości t
a 23,7 °G.
e*-o
Zwiększenie jednak powierzchni ochłodzonej calizny węglowej do np. 24 m
(¡2 m x 2 m) dałoby już efekt zbliżony do pierwszego przykładu, miarowi™
S C\
cie tpr = 25°C. Gdybyśmy dodatkowo ochłodzili spąg na odcinku
długości
12 m, to średnia temperatura promieniowania wyniosłaby tpr = 20,6°C.
Jednoczesne chłodzenie trzech powierzchni przodka ścianowego: calizny,
spągu i powierzchni zawału lub podsadzki dla strefy o długości 12 metrów
dałoby rezultat: t
= 17°C.
Takie obniżenie średniej temperatury promieniowania środowiska pracy gór­
ników przyniosłoby już (rys. i) odczuwalną poprawę warunków
klimatycz­
nych w ścianie.
Oczywiście obliczając średnią temperaturę promieniowania
należałoby
uwzględnić obudowę w ścianie. Można jednak powiedzieć, że człowiek znaj­
dujący się np. w drugim polu ściany będzie widział, a więc i
wymieniał
ciepło poprzez promieniowanie z co najmniej 12 metrową strefą ochłodzonej
odkrytej calizny węglowej, spągu czy powierzchni zawału lub podsadzki.
Wartości współczynników kątowych
11<p "
zaczerpnięto z prac [1,
W analizie wymiany ciepła przez promieniowanie pominięto wpływ
pary
wodnej znajdującej się w powietrzu kopalnianym.
Jak wskazują badania [i, 4, 6, aj , cząsteczki pary wodnej częściowo po­
chłaniają i emitują promieniowanie Cieplne tylko w zakresach pewnych dłu­
gości fal. Dla zakresów długości fal cieplnych 2 -t 2 ,5 jum , 3 + 4 ¿um, 4,5
*
5,2 ¿urn oraz 8 * 1
4
para wodna jest przeźroczysta.
Praktycznie problem obniżenia temperatury powierzchni ścian
przodka
mógłby być rozwiązany poprzez zraszanie strumieniami ochłodzonej wody ca­
lizny węglowej, spągu i powierzchni zawału w strefie pracy ludzi, na dłu­
gości co najmniej 10 m. Ochłodzona woda, zraszająca powierzchnie, dostar­
czana byłaby z maszyny chłodniczej i następnie spływałaby do zawału
wykonanych ujęć. Strugi wody mogłyby dodatkowo chłodzić powietrze w ścianie, co byłoby zjawiskiem korzystnym. Wzrost
stopnia zawilżenia powietrza byłby na pewno czynnikiem ujemnym. Nie po­
winien być on jednak duży, gdyż w większości istniejących przodków wil­
gotność powietrza jest wysoka.
7. Zakończenie
Zwiększenie wymiany ciepła między człowiekiem a otoczeniem na drodze
promieniowania cieplnego jest ważnym zagadnieniem w klimatyzacji środo­
wisk pracy. Problem obniżenia tzw. średniej temperatury promieniowania w
166
Jan Drenda
miejsca pracy człowieka, związany z obniżeniem temperatur
powierzchni
ścian otaczających, prowadzi do poprawy warunków klimatycznych. Efekt tej
poprawy można prześledzić na wykresie Fangera (rys. i).
W oparciu o przyjęty model wyrobiska ścianowego i wykonane obliczenia
teoretyczne stwierdzono, że wyraźne obniżenie średniej temperatury
pro­
mieniowania można uzyskać chłodząc co najmniej 50 % powierzchni w strefie
przodka ścianowego długości około 10 metrów. Do tego celu można by
użyć
ochłodzonej wody, zraszającej powierzchnie w przodku ścianowym jak
rów­
nież 1 chodnikowym.
LITERATURA
1
2
3
[4J
[sl
jjf]
[7]
¡jT]
[V]
N
FANGER P.O.; Komfort.cieplny. Arkady, Warszawa 1974.
FRYCZ A.: Klimatyzacja kopalń. Wyd,"Śląsk", Katowice 1969.
BRADKE F., LIESE W.i Hilfsbuch für raum - und ausenklimatische
Messungen. Springer Verlag, 1952.
OCHgDUSZKO S.t Termodynamika stoscwana, Wyd. Haukowo-Technlczne,
Warszawa 1974.
ROSZOZYEIALSKI W., WACŁAWIE J.: Podstawy aerologii górniczej cz. I
1 II. Skrypt AGS., Kraków 1978.
OCISIK M.H . i Stożnyj tiepłoobmjen - tłumaczenie z angielskiego "Mii"
Moskwa 1976.
TOMCZAK W., HALUPCZEK J., MROZOWSKA Ł.i Wymiana ciepła. Tabele i wy­
kresy. Skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1971.
RODIE A.K.ł Primjenienije lizłucajuscich goriełek dla otoplenija,
Blaira, Leningrad 1976.
MÜRAWIEJHIK W.J., OLEJUIK J.P.ł normalizacja klimaticeskich usłowij
w podgotowitijelnych wyrabotkach głubokioh szacht sposobom
radlaCjonnogo ochtażdjenija. Izw. W.U.Z. Gornyj Żurnał nr 8, 1973.
DREHDA J.j Analiza optymalnyoh warunków klimatycznych w kopalni
w
oparoiu o równanie komfortu cieplnego Fangera. Bezpieczeństwo Pracy
w Górnictwie, nr 2/1976.
OHPEKEJffiHHE H H3i,ffiPEHHE CPEKHE3 TSUHEPATYPH H3JIYHEHHH B TOPHOil BHPABOTKE
Petowe s
CTaTBe saHH tteTojta newepejmii h pacseTOB cpexHeä reM nepaiypH H3Jiy^ehhs ŁOTHeceHsH k ^eJioBeny, HajcojunneMycs s ohhcthom sa ó o e . IIpaBeseno hojiokhB
TeJtŁHoe BJiHSHHe CHKsceHHH cpeflHeS TeanepaxypH Mjry^eHUJi na yjiysmeHHe KJKiMaTnqecKHX ycJioBHfi ropnoß cpe^u. HpoH3Be^eHLi TeopeimiecKHe pawera cpe^Heił
rełmepaTypH KSJiy^eHua j m npHHarofl Mo^e-ra o^HCTHoro śaSos b 3aBHCHMOCTH
KSMeneHHs leimepaTypH h BeawiHHH oxnaatflarannx
Öokosux
ot
njiocKocTeił BHpaÖoiKH.
Określenie i pomiar średniej temperatury .
167
DETERMIHATIOH AND MEASUREMENT OF THE MEAN TEMPERATURE
OF RADIATION IB A HEADING
S u mm a r y :
This paper presents the methods of measurement and calculation of the
mean temperature of radiation with the respect to a man working in a mi­
ning face.
The positive influence of lowering the temperature of radiation
in the
mining environment was presented. The theoretical calculations of the me­
an temperature of radiation for a given model of the longwall
heading
dependent on the temperature variation and slae of the cooled sufraces of
the side of work as well as of the thills od the heading were performed.